（机械设计及理论专业论文）张力可控宽幅铝带热连轧头部跑偏数值模拟.pdf

原创性声明 f i i i i if i l lii ir l l t l li il y 1914 016 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 重j 整 日期：年一月一日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：让导师签名妞缸描：年一月一日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 热轧是指在金属再结晶温度以上进行的轧制。在板带热连轧过程 中，轧件跑偏是困扰板带生产厂家的主要难题之一。轧制开始阶段轧 件头部的跑偏会造成板带穿带不成功，卷取时带卷不对中，严重时还 可能引起切边机故障，工作辊损伤等设备故障和安全事故，从而降低 板带的成材率，降低工作效率。因此，深入研究轧制过程中后张力的 改变对轧件头部跑偏的影响规律，对有效提高产品轧制开始阶段的穿 带成功率和产品成材率具有一定的参考价值。 本文以国内某板带公司的铝热连轧生产线为研究对象。建立了轧 制过程中速度的分解模型，分析了精轧过程中轧辊直径、后张力、压 下率和摩擦系数的横向非对称性对轧件出口速度横向分布的影响，得 出了引起轧件头部跑偏的主要因素：轧件楔形、轧机原始辊缝差、轧 件中心初始偏移和轧机左右刚度差。运用大型通用有限元软件 m s c m a r c 建立了基于工业现场f 4 机架相关参数的三维有限元模型， 模拟分析了上述四种横向非对称诱因扰动条件下，加载不同后张力的 轧制过程，有限元模拟结果显示通过后张力的改变，能够有效抑制有 横向非对称因素扰动下轧件头部的跑偏量。 实验方面，设计了后张力纠偏调节的实验方案，在国内某板带公 司铝热连轧生产线进行了现场工业测试，其实际控制效果与本文的理 论推导和数值模拟仿真比较符合。 关键词铝热连轧，跑偏，前滑，后张力，m s c m a r c 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t h o t - r o l l e di st h er o l l i n gp e r f o r m e db e y o n dt h er e - c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r eo ft h em e t a lt or o l lm a n u f a c t u r e r t h er o l l e dp i e c er u n n i n g d e v i a t i o ni so n eo fm a i nd i f f i c u l tp r o b l e m si nh o tt a n d e mr o l l i n gp r o c e s s o fl a t c h a tt h ep r e l i m i n a r ys t a g eo fe x t r aw i d el a t c hr o l l i n g ，t h ep r o b l e m s o fs e tp i na n dt h ef o r e p a r tr e e l i n gu n s y m m e t r i cc o u r s e db yi t sf o r e p a r t r u n n i n gd e v i a t i o nw e r eh i g h l i g h tp a r t i c u l a r l y i ti sa l s ol i k e l yt oc a u s e s e r i o u st r i m m i n gm a c h i n ef a i l u r e ，j o bf a i l u r ea n dr o l li n j u r ya c c i d e n t sa n d o t h e re q u i p m e n t ，t h e r e b yr e d u c i n gt h er a t eo ff i n i s h e ds t r i p ，a n dr e d u c e d e f f i c i e n c y s o ，t h e r ew i l l b eg r e a tr e f e r e n c ev a l u ei ni m p r o v i n gt h e s u c c e s sw e a rr a t ea tt h eb e g i n n i n go fr o l l i n ga n dt h em e t a ly i e l db yd e p t h s t u d yo f t h eb e g i n n i n go f s t r i pr o l l i n gh e a dc o r r e c t i v ec o n t r o lm e t h o d s t h i sr e s e a r c ho b je c ti sa na l u m i n u ms t r i ph o tr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n e i nad o m e s t i cc o m p a n y t h ed e c o m p o s i t i o nm o d e lo fs p e e di nr o l l i n gh a d b e e nb u i l t i ta n a l y z e dt h er o l ld i a m e t e r 、t h eb a c kt e n s i o n 、p r e s s u r er a t i o a n dt h et r a n s v e r s ed i s t r i b u t i o ni n f l u e n c eo ft h eo u t l e ts p e e db yl a t e r a l a s y m m e t r yo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h e nm a k eo u tt h em a i nf a c t o r so ft h e c h a n g ei nr o l l i n g ：t h ew e d g eo fr o l l e d - p i e c e 、t h eo r i g i n a ld i f f e r e n c eo f r o l l - g a p 、i n i t i a lm i g r a t i o no f t h er o l l e d - p i e c ec e n t e ra n dt h er i g h t a n d - l e f t s t i f f n e s ss e n to ft h er o l l i n gm i l l l a r g eg e n e r a l - p u r p o s ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e ，m s c m a r c ，w a su s e dt ob u i l dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t m o d e lb a s e do nf 4c h a s s i so fi n d u s t r ys i t e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n a n a l y s i so fl o a d i n g d i f f e r e n tb a c kt e n s i o nd u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s su n d e r t h ef o u rc o n d i t i o no ft r a n s v e r s ed i s t r i b u t i o n ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o n a n a l y s i ss t a t et h a td e f l e c t i o np r o p o r t i o no fr o l l i n gc o u l db ec o n t r o l l e d e f f e c t i v e l yb yc h a n g i n gb a c kt e n s i o nu n d e r t h ea s y m m e t r i cc o n d i t i o n a tt h ee x p e r i m e n t a la s p e c t ，t h e e x p e r i m e n t a lp r o g r a mh a db e e n d e s i g n e df o rt h er e c t i f y i n go fb a c kt e n s i o n t h eo n s i t ei n d u s t r i a lt e s ti n a na l u m i n u ms t r i ph o tr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n ea p p r o v e dt h a tt h ea c t u a l c o n t r 0 1e f f e c tw a sc o i n c i d e n tw i m 也et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o na n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h i sp 印e r 中南大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：a l u m i n u mh o t r o l l i n g ，s t r i ps t e e r i n g ，f o r w a r ds l i p ， b a c kt e n s i o n ，m s c m a r c m 、 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录。 第一章绪论1 1 1 课题背景、研究目的及意义。1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 跑偏控制的研究现状3 1 2 2 有限元方法在轧制成形中的应用现状4 1 3 已有的研究基础与本论文主要研究内容8 第二章轧件头部跑偏影响因素分析9 2 1 速度分解模型9 2 2 前滑和后滑的横向非对称性对出入口速度分布的影响1 0 2 2 1 轧辊直径对轧件出口速度横向分布的影响1 2 2 2 2 后张力对轧件出口速度横向分布的影响1 2 2 2 3 压下率对轧件出口速度横向分布的影响1 3 2 2 4 摩擦系数对轧件出口速度横向分布的影响1 4 2 3 轧制过程中引起轧件头部跑偏的各种原因1 4 2 4 本章小结15 第三章进行张力控制轧制过程的有限元模拟1 6 3 1 轧制过程有限元模拟中的非线性问题处理1 6 3 1 1 轧件材料的非线性1 6 3 1 2 轧件变形的几何非线性1 6 3 1 3 轧制过程的边界条件非线性1 7 3 1 4 轧制过程非线性问题的求解1 7 3 1 5 轧制过程非线性迭代的收敛判据18 3 2 单机架有限元模型的建立1 9 3 2 1 轧机弹跳处理和轧机结构的合理简化1 9 3 2 2 轧制系统单机架有限元模型的建立2 2 3 2 3 轧制运动的实现2 3 3 2 4 轧制工艺参数和材料性能参数2 6 3 2 5 摩擦的处理3 1 i v tjf 中南大学硕士学位论文目录 3 2 6 后张力的加载3 2 3 3 非对称因素扰动下的仿真分析3 4 3 3 1 轧件初始横向厚差扰动3 4 3 3 2 轧机原始辊缝差扰动3 6 3 3 3 轧件中心初始偏扰动3 8 3 3 4 轧机左右刚度差扰动4 1 3 3 本章小结4 3 第四章工业现场实验4 4 4 1 工业现场纠偏调节的实验方案设计4 4 4 2 实验注意事项4 5 4 3 工业现场实验4 6 4 4 本章小结5 0 第五章全文总结与展望5 2 5 1 全文总结5 2 5 2 展望5 2 参考文献5 4 致谢5 9 攻读硕士学位期间主要研究成果6 0 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本课题来源于某铝板带公司科技攻关项目“3 1 0 4 宽幅热轧卷跑偏控制策略 及其技术实现 。 1 1 课题背景、研究目的及意义 ( 一) 课题背景 铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金 属元素之一。在金属材料中，仅次于钢铁，为第二大类金属。铝和铝材是一种可 再生的资源，废弃的铝和铝材也可回收重熔，既可以节约能源，又能减少污染， 还具有质轻、比强度高、耐腐蚀、可焊接、易加工、表面美观等优点。铝和铝材 是一种节能和储能材料，在安全和环保的条件下，铝的节能、储能功能远大于钢 铁和其它许多材料。因此铝及铝加工产品被广泛应用于国民经济的各个行业，特 别是航空航天、包装印刷、建筑装饰、电子家电、交通运输等领域撑。 世界铝( 包括再生铝) 产量的8 5 以上被加工成板、带、条、箔、管、棒、 型、线、粉、自由锻件、铸件、冲压件、及其深a n - r - _ 件及铝合金产品【。第二次 世界大战以后，铝材的应用由军事工业转向民用工业，继而进入人民生活的各个 方面，成为了科学技术发展与国民经济提高的重要基础材料。中国的铝工业起步 是在1 9 4 9 年新中国成立以后，经过近十年的发展，到1 9 5 8 年，我国铝工业实现 了从无到有的过程，已经形成了初具规模的铝工业体系，能够基本提供国防军事 和国民经济建设的需求。中国的铝工业真正开始快速发展是在1 9 5 8 年国务院出 台关于大力发展铜铝工业的指示后，兴建了郑州铝厂、贵州铝厂、西南铝、 等一大批铝加工生产基地。改革开放以来，随着我国国民经济的快速发展，作为 向交通运输、化工、机械、电力、电子、电器、仪表、建筑、制冷、包装等行业 提供基本金属材料的铝加工行业，不仅技术装备提升迅速，产能也已跃居全球前 列，2 0 0 9 年，全国氧化铝产量约2 3 7 9 2 4 万吨，电解铝产量约1 2 8 4 6 0 万吨，铝 材产量约1 6 5 0 3 5 万吨【2 3 1 。但是从人均铝材消耗和铝工业的生产能力( 尤其是 高性能铝材的生存能力) 一起技术水平和产品质量等方面来看，我国铝工业水平 与工业发达国家相比还存在比较大的差距。 进入新世纪以来，根据有色金属管理体制改革和铝工业产业发展需要，2 0 0 1 年，国家重组成立了中国铝业公司，同年，中国铝业公司控股的中国铝业股份有 限公司成功实现境外上市，目前已经发展成为全球三大铝业公司、世界5 0 0 强企 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 业之一。中国市场已成为全球最大、最具活力的铝消费市场，中国已成为世界铝 工业发展最活跃的推动力量。 ( 二) 问题的提出 我国在板带热连轧生产过程中，一直存在着跑偏现象。以我国引进的首条具 有国际先进水平的2 0 0 0 m m “1 + 4 铝板带热连轧生产线为例，图1 1 所示为该 生产线的布置图。 导黧瓣笔篙冒1 h 渤l d df 瞻否否否否 哿 可g 嗲团喇蹦_ _ 影秽影嘲 图卜1“1 + 4 ”热连轧生产线布置图 该生产线于2 0 0 5 年6 月2 8 日建成投产，但是从2 0 0 5 年4 月生产调试阶段 开始，精轧机组在轧制过程中就一直存在跑偏现象，特别是厚度在5 m m 以下的 薄板在精轧时跑偏现象尤为严重。目前该厂的纠偏方式主要是依靠人工经验和目 测，操作人员根据观察到的轧辊两端轧制力的变化情况和轧件的跑偏状态，判断 纠偏方向，手动按下“辊缝倾斜 ( g a pl e v e l ) 按钮来实现纠偏。这种人工纠 偏的方法虽然能在一定程度解决问题，但是效果因操作人员的经验、责任心和注 意力情况而改变，所以精度比较低，而且不稳定，不能保证板形质量。除此之外， 人工纠偏的方式要求操作人员要高度集中精力，使得操作人员的精神负担比较 重。 ( 三) 研究目的及意义 1 、理论意义。我国的轧铝设备越来越多，但是与国际先进水平相比还存在 较大差距，先进的轧机都要从国外引进。虽然我国通过消化、吸收引进的先进设 备后自主开发了一系列产品，但是整体上是仿制的相对来说比较多，创新的比较 少。究其原因主要是对于轧机的精髓也就是其控制系统和数学模型研究不透彻， 本文针对精轧开始阶段，轧件头部处于非稳定轧制状态下的跑偏影响因素及影响 规律进行了专门的研究，得出了轧制开始阶段后张力对轧件前滑值和轧件出口速 度的影响规律，本论文的研究成果能为轧制过程中后张力值的设定和后张力的实 时调节对轧件头部的纠偏控制提供依据。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 、经济意义。目前我国在建和己建成投产的铝板带热连轧生产线有1 0 余条 【4 】。因为头部跑偏造成穿带不成功的板带，头部有2 0 3 0 m 成为废品，头部跑偏 严重的甚至会造成整个铝锭报废。按年产能的5 0 ，规格的6 0 ，平均卷重1 5 t ， 切除长度2 0 m 计算，我国铝板带热连轧生产线因跑偏引起的经济损失高达1 0 亿 元以上，利用本论文的研究成果来改进轧制过程中后张力的控制，可以提高板带 的穿带成功率和卷取对中性，减少板带的头部废料切除量，减少了企业的加工成 本了原材料成本损失。 因此，中铝西南铝板带有限公司与中南大学合作开展“3 1 0 4 宽幅热轧卷跑 偏控制策略及其技术实现 项目研究，通过研究合理有效的跑偏控制策略，设计 跑偏控制系统，并融入原轧制控制系统，最终实现从人工手动控制到信息汇集的 自动控制。 本文将通过研究宽幅铝带热精轧开始阶段影响轧件跑偏的因素，以f 4 机架 为对象建立三维有限元模型，模拟分析在各跑偏因素的作用下后张力的改变对轧 件头部跑量的影响规律，研究结论对工艺参数中的张力值的设定和调整提供参 考，以此更好的控制轧制开始阶段轧件头部的跑偏，提高产品的成材率。 1 2 国内外研究现状 1 。2 1 跑偏控制的研究现状 跑偏是轧件在轧制区强压变形过程中其运动参数逐渐失去横向对称性，在出 轧制区后中心线偏离并急剧扩大的演变过程。对跑偏的研究是在跑偏现象变得严 重、困扰轧制加工企业之后开始的，是起源于工程难题的研究项目。因此，一开 始的研究就是如何解决这一问题，即纠偏。国内外主要的研究成果有： 国外，久保贞多夫在热轧带钢的跑偏检测方面做了相关研究p j 。i v a nm a l l o c i 等人利用奇异微扰法作为控制规则，设计了控制板带轧制尾部跑偏的切换系统 6 1 。y o k a m u r a 和h o s h i n o 提出了一种基于状态监测器的反馈补偿控制方法【7 j ， 与以往的弯辊控制和辊缝控制不同，这种方法在控制过程中忽略了状态监测器的 延时。另外，涉及纠偏控制的还有板带摆尾的倾斜辊电控算法研究，但仅涉及设 定倾斜辊控制的幅值和由此引起的稳定性补偿问题i s , 9 。 国内，东北大学王国栋、刘伟嵬等人与韩国浦项钢铁合作，对热轧板带跑偏 过程的简化模型进行了动态仿真【lo 1 1 j ，该工作对弯辊反馈补偿作了讨论，其思 想仍是木村智明工作的思路。由周旭东等联合宝钢集团开发了一种变辊缝法热连 轧机组带钢厚度与轧制力的智能纠偏系统【1 2 ，1 3 】，该系统对板带的纠偏有一定的 作用，但对于不同的轧制材料都需要经过大量数据训练后才能使用，故其应用局 中南大学硕士学位论文第一章绪论 限性大。鞍钢集团开发的一种连轧机组轧机入1 2 带钢双重纠偏控制系统【1 4 】，由 于该系统安装在轧机入口，对于板带脱离前面机架后产生的跑偏无法控制。新日 铁钢铁公司通过轧制力调整、工作辊、支撑辊、初始辊设计和液压弯辊调整实现 对中厚板的板形控制【l5 1 ，但是由于国内轧机的总体装备水平较低，很难满足用 户对板形质量的要求。华中科技大学孟令启等人通过测定热轧条件下的流动应力 和现场实i 贝! j c l n 数据，以及数值运算，得到中厚板轧制压力模型【1 6 1 ，但是因轧 机刚度、轧件入口厚度、轧件塑性变形抗力等常有误差，降低了轧制压力模型的 精度。中南大学刘义伦等人提出了一种通过检测轧机两侧轧制压力值与入口板带 偏置量，间接观测压下率横向分布状态的方法，并基于该方法对“1 + 4 ”热连轧 粗轧过程的辊缝自动补偿调节方案进行了初步设计【l 7 1 ，但作为初步设计其研究 还有待深入，应用范围存在一定局限性，有待扩展。 由于纠偏方法都是以实用为目标，解决企业特定材料、工况下的跑偏问题， 控制模型相对粗糙，这就使得控制精度和有效性面临考验。同时，由于缺少系统 的跑偏理论依托，发展空间受到极大制约。这种发展空间的制约性体现在两个方 面：一是一旦出现复杂诱因状况，纠偏方法无法有效达到纠偏效果，失去跑偏 控制的意义；另一个方面，由于模型结构的粗糙，模型的自学习功能受到限 制，不能通过模型参数在线修正改进纠偏效果。 目前，世界先进公司的板带热连轧生产线自动控制系统部分带有板带导向控 制控制( s t r i ps t e e r i n gc o n t r 0 1 ) ，但是从我国连轧生产线的生产情况来看，跑偏 现象依然不容忽视，如西南铝板带公司“1 “”铝带热连轧生产线的控制系统采用 的是日本某著名公司的产品，但是在轧制某些种类的产品时跑偏严重，特别是一 卷铝带* l n 后期尾部跑偏严重，以至尾部要切除长达2 0 5 0 m 的废料。后请来 日本、美国等公司的专家对控制系统进行长达一月的反复调试，仍然不能从根本 上改善尾部跑偏状况。最后主要靠人工经验和目测，操作人员根据观察到的e l * 0 力的变化情况，人工点击压力控制按钮纠偏，改善尾部跑偏状况，尽量减少尾部 切除量。但是由于引起跑偏诱因的多样性，同样的c l n 力变化情况，轧件的跑偏 是不同的甚至方向相反，因此，这种经验式的纠偏方法观察、调节滞后，且完全 依托经验，只可能停留在人工粗糙调整的水平上。 因此，板带连轧跑偏控制研究的发展趋势是，构建新的、系统的跑偏解释理 论体系，在一个新的有系统理论依托的平台上，建立具有自学习功能的横向平衡 状态控制模型，并利用现代控制方法开发精确化、智能化的跑偏控制系统。 1 2 2 有限元方法在g l * l j 成形中的应用现状 自从2 0 世纪6 0 年代c l o u g h 第一次提出“有限单元法 这个概念以来，经 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 过5 0 多年的发展，如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法，它的 应用范围已经从固体力学和结构分析领域扩展到热传导、电磁场、流体及声学等 领域。近年来，由于计算机技术的快速发展和有限元分析软件的不断完善，有限 单元法已经越来越广泛地应用到计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造 ( c w ) 等领域。利用有限单元法对板带轧制过程进行数值模拟也已经得到了 广泛的研究。概括地说，根据本构方程的不同，板带轧制过程有限元分析大致可 分为三种，分别为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法以及粘塑性有限元法。与粘 塑性有限元法相比，刚塑性有限元法和弹塑性有限元法应用更加广泛【l 引。 一、刚塑性有限元法 刚塑性有限元法对材料在变形区的入、出口处时和在变形区内时分别单独进行考 虑，前者认为是刚性的，而后者的则认为是塑性的【l 9 1 。基于刚塑性有限元方法 的轧制分析，工件通常被当成非牛顿流体进行处理，通常会忽略其轧制过程中产 生弹性变形，运用e u l e r i a n 公式求得其恒定解。在计算具有较大变形的问题时， 刚塑性有限元法比弹塑性有限元法求解效率更高一些。 m o r i 在分析宽板轧制的宽展时，首先运用了三维刚塑性有限元法。刘相华1 2 u ， 2 l 】利用刚塑性有限元法来分析h 型钢的轧制过程，通过求解轧制过程中的变形 情况和温度分布，实现了变形过程和温度场的联合求解。为了得到了轧件的金属 流动和变形规律，熊尚武等人瞄埘】利用三维刚塑性有限元法对孔型粗轧过程和立 轧稳态过程作了较为全面的分析。n a k m 舭a 等1 2 5 j 等考虑了滑动和粘着的边界条 件，在利用三维刚塑性有限元法对板带轧制过程进行模拟时，边界条件的处理考 虑了滑动和粘着。文献【2 6 】在模拟j - i s s s 4 0 0 钢板的热连轧过程时，采用了二维 刚塑性有限元法，对轧件的微观结构以及应变、温度的演变规律进行了研究。 此外，还有学者对轧辊与带钢进行耦合求解，采用刚塑性有限元法求解出带 钢的变形，而轧辊的变形则采用影响函数法求解，得出了带钢和轧辊的受力及变 形。m i g u e la c a v a l i e r e 2 7 】等人运用刚塑性有限元方法对带钢的变形进行了计算， 得出了轧制力的分布情况和轧辊瘦到热力耦合作用下的变形，再用迭代法进行求 解，最后得出了有热凸度情况下的热轧带钢的变形和受力分布。u e d a 等人1 2 卅利 用刚塑性有限元法对不对称板厚的轧制过程进行了模拟，探明了带钢在轧制过程 中的金属流动规律和弯曲变形特点。 二、弹塑性有限元法 2 0 世纪6 0 年代，p v m a r c a l 与山田嘉昭推导出了弹塑性矩阵，而弹塑性有 限元法就是在此基础上发展起来的【2 9 】。弹塑性有限元法将工件作为弹塑性体来 处理。利用弹塑性有限单元法来分析金属成形问题，可以按照变形路径得到塑性 区的发展状况以及工件几何形变和应力应变分布，并且在处理卸载问题时，可以 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 有效地计算残余应力应变。弹塑性有限元法的缺点是运算量比较大，运算时间太 长，其主要原因是弹塑性有限元法须用增量方式来加载，而加载的步长又较小， 从而导致了求解过程的复杂化。目前，有限元分析过程中可以选择不同的时间积 分算法，弹塑性有限元算法也因此分成了三种，即静力隐式算法、静力显式算法、 动力显式算法。 刘才、杜风山教授等【3 0 。3 3 】利用三维弹塑性有限单元法对低碳钢试件与铝薄板 的轧制情况进行了三维模拟，得出了薄板轧制过程中金属流动情况和应力应变分 布规律，进而分析了前后张力、板凸度和辊缝形状等因素对轧制过程的影响。 z o n g c i t i n gl i l l 等【3 4 ，35 】通过建立冷轧铝带材的热弹塑性有限元模型，对其轧制 变形进行了模拟。刘立文p 6 1 运用有限元分析软件m a r e 分析了三维冷轧板带的 轧制过程，得到了厚度、压下率和摩擦系数对带钢变形的影响规律。，z h e n g y i j i a n g 3 7 ，3 8 j 运用a b s q u s 软件对冷轧薄板带的带张力轧制进行了模拟，采用的是 二维有限元模型，最终得出了冷轧带钢的入口侧和出口侧弹性回复。谢红飙等人 3 9 , 4 0 】在用弹塑性有限元理论模拟二辊轧制过程时，其求解就是用动力显式算法。 文献【4 lj 通过利用二维弹塑性理论对铝板带热轧过程进行了模拟，分析了各种工 艺参数对轧制总温降的影响规律。 三、粘塑性有限元法 粘塑性是指在对金属进行塑性加工的过程中，尤其是在高温情况下进行加工 时，金属的变形速度将会与其屈服极限和加工硬化密切相关。为了更好地解决此 类问题，国内外学者提出了基于粘塑性理论的材料模型，它是将高应变速率的材 料视作弹粘塑性，而当材料的弹性变形相对较小时，则视作刚粘塑性。 z i e n k i e w i c z 等人最先将粘塑性有限元理论，并将该方法应用于轧制问题的 求解上，他们在推导刚粘塑性有限元列式时h 2 1 ，将金属热加工流动看作非牛顿 不可压缩粘性流体，基于p p e r z y n a 推导出的粘塑性本构方程，结合罚函数法或 者取泊松比无限逼近0 5 的方法来处理其中的不可压缩条件，摩擦的处理则是在 材料的表面定义一层很薄的单元来专门处理摩擦问题。 为了探究板材有润滑时摩擦系数的变化对轧制过程的影响规律， z y j i a n g 4 3 1 采用三维刚粘塑性有限元法对肋板的轧制过程进行了模拟，并利用刚 塑性可压缩材料模型对板材在有润滑条件下的热轧过程作了较为全面的分析。 a h a c q u i n 等人m j 通过建立三维稳态弹粘塑性热力耦合模型，分别对热轧时和冷 轧时板带侧面的应力、应变以及残余应力进行了预测。为了分析型钢轧制过程中 各种参数的变化，s y k i m 等人【4 5 】建立了型钢刚一粘塑性热力耦合模型，在分析 过程中还考虑到了热传导的作用。s x z h o u 4 6 】通过利用粘塑性有限元法对带钢轧 制过程的模拟，分析了轧辊的弹性变形、轧件的应力应变和温度变化情况等。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 国内也有许多学者利用粘塑性有限元法模拟了板带轧制过程，大部分都应用 在液固相复合轧制中。许光明等【4 7 】在模拟不锈钢铝复合、液固相复合轧制过程 时，采用了粘塑性有限元法，并用该方法得出了轧件内部的应力应变分布及轧辊 接触面的应力分布。康永林等【4 8 】利用刚粘塑性有限单元法模拟了高温钢材料半 固态轧制过程，得出了浆料初始温度、轧辊转速、辊缝差等参数对轧件应力及速 度分布的影响规律。 随着理论研究的深入与大型计算能力的提高，有限元的数值模拟已经由过去 的简单轧制模型、二维模型、窄带模型、带辊分离模型发展到复杂轧制模型、三 维模型、宽带模型、带辊耦合模型，而且有很多科研人员运用该理论来研究接触 摩擦模型。 二维模型与三维模型相比，具有较高的计算效率，它可以用于分析轧制过程 中的速度、轧制力等参数在接触弧上的分布情况。文献 2 9 1 9 b 建立的有限元模型 如图1 2 ( a ) ，文献 4 4 中采用的有限元模型如图1 2 ( b ) 。 图卜2 二维有限元模型 三维模型可以用来模拟轧件的三维变形，轧制力横向分布以及轧件宽展情况 等。图l - 3 ( a ) 为三维刚性辊模型，它是将轧辊看作刚性体，而将轧件看作刚塑性 体或弹塑性体。刚性辊模型计算准确度不高，原因是该模型无法模拟轧辊的压扁 及弯曲变形，但是这也使得该模型计算效率较高。图i - 3 ( b ) 为三维弹性辊模型， 用弹性体模拟轧辊，同时须在轧辊的中部嵌入刚性圆筒。该模型可以用来模拟轧 辊的压扁，但无法对轧辊弯曲进行模拟。而轧辊的压扁和弯曲变形是相互牵制的， 因此，与三维刚体模型相比，该模型的模拟精度稍高，但往往仍然达不到所需精 度要求。图i - 3 ( c ) 为三维四辊模型，它考虑了整个辊系的压扁、弯曲变形以及轧 件的三维变形，比前两种模型相对完善，模型可以施加弯辊力，能够更加精确地 模拟四辊轧机轧制过程。但是此模型的缺点是网格划分较为复杂，计算时间较长。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( b )( c ) 图i - 3 三维有限元模型 随着时间的推移，有限元方法应用广度和应用深度在不断增加，其模拟模型 在不断复杂化，不断接近真实轧制过程，计算速度越来越快，精度越来越高，因 此运用有限元方法来模拟分析轧制过程是一个持久的、传承的研究课题。 1 3 已有的研究基础与本论文主要研究内容 本课题组的其它成员已完成的前期工作： 赵先琼【4 9 】进行了“铝带热连轧跑偏机理和平衡调控的建模及数值仿真 研 究，林丹进行了“1 “铝热连轧轧件跑偏机理探索”研究，何玉辉进行了“板 带多到场热轧过程温度场数值模拟与温降模型研究 ，刘学【5 0 】进行了“铝热精 轧热力耦合行为及温度场数值模拟研究 ，冷志坚【5 l 】进行了“四棍轧机振动建 模仿真分析 研究等。课题组的这些研究中对板带跑偏的研究都是以尾部跑偏为 对象，对张力的处理都是已恒定张力进行的处理，研究的板带宽度也基本上都是 在1 2 1 1 1 以内。 本文将在课题组其它成员的研究基础上，进行张力可控宽幅铝带( 宽度为 1 5 5 m ) 热连轧头部跑偏数值模拟的研究。在宽幅铝带热连轧过程中，板带头部 出现跑偏，不但影响轧后板带卷曲的对中性，而且在精轧初期如果出现头部跑偏， 将对板带的穿带成功率产生较大影响，为了解决此问题本文进行了以下几方面研 究： ( 1 ) 进行工业现场考察，收集现场相关工艺参数。 ( 2 ) 通过建立轧制过程中速度分解模型分析引起轧件出、入口速度横向分 布不对称的因素，以及这些因素对轧件出口速度横向分布的影响规律。 ( 3 ) 以f 4 机架为对象，运用m s c m a r c 有限元分析软件，模拟了轧件楔形、 轧机辊缝、轧件中心初始偏移、轧机左右刚度差四种诱因扰动下进行张力控制的 # l n 过程，并且对仿真结果进行了分析。 ( 4 ) 设计工业现场纠偏调节的实验方案，进行现场工业实验，采集相关实 验数据，对实验数据进行分析。 中南大学硕士学位论文第二章轧件头部跑偏影响因素分析 第二章轧件头部跑偏影响因素分析 轧制是使材料在旋转着的圆柱状上下辊之间通过并减少厚度的金属加工方 法。轧制过程中，轧件的出口速度的横向分布不对称时，轧件将出现跑偏，因此， 可以从分析轧件的出口速度和入口速度着手寻找引起轧件跑偏的原因。 2 1 速度分解模型 如图2 1 所示，定义轧件的宽度方向为横向( 左右方向) ，轧件的长度方向 为纵向( 前后方向) ，轧件的高度方向为高向( 上下方向) 。 轧制理论认为，在金属的轧制成形过程中，轧制区内的金属，一部分纵向流 动形成了延伸，另一部分横向流动，形成了宽展，轧件的延伸是包括轧辊入口处 和出口处两个方向的流动。轧件的出口速度v d 大于该处轧辊线速度v 。的水平分 量，胁，这种v o v 加。的现象叫做前滑，而轧件的入口速度小于该处轧辊线速度 v 。，的水平分量1 ，。垃，这种v f 上i ， m一： t( ) ) 、 4 ) 。 e 摹 逍 图2 - 1 轧制过程速度图 轧辊表面点的线速度在忽略轧辊弹性应变这样数量级的误差时，大致可 以看作恒定的，即= = ，前滑值z 、后滑值以的定义： 9 中南大学硕士学位论文第二章轧件头部跑偏影响因素分析 z = v 。- v rx 1 0 0 ； 喙 五= vrc o s 口- v , 1 0 0 ： c o s ( 2 1 ) 由于轧制区的粘连滑移作用，根据式( 2 1 ) ，板带的出口速度v d 分解为工 作辊速度和前滑速度屹之和，入口速度可以分解为工作辊速度水平分量 喙c o s c z 和后滑速度v 6 之和： = 喙+ 吃= + z q = c o s + = c o s 一五喙c o s ( 2 - 2 ) 共甲k2 工喙，v 62 一 c o s 口。 在横向非对称因素的扰动下，速度出现非对称分量，操作侧和传动侧的工作 辊速度v 。、，。c o s 可看作相等，属于速度的对称分量，由式( 2 2 ) 可知，轧件 的出口速度和入口速度的非对称分量来源于前滑速度v 。和后滑速度的横向非 对称性，而且速度的非对称性完全来自前滑值疋和后滑值疋的横向非对称性。 定义前滑值的非对称分量觚和后滑值的非对称分量鱿分别为 馘= 厶一允鱿= 厶一九 ( 2 3 ) 式( 2 2 ) 反映了速度的非对称性与前滑值、后滑值的关系： ( 1 ) 只要前滑值、后滑值的横向分布具有非对称性分量，即馘0 、馘0 ， 则速度具有非对称分量，轧件跑偏。 ( 2 ) 引起前滑和后滑横向非对称性的扰动诱因就是引起速度非对称即跑偏 的扰动诱因。因此，可以从前滑、后滑着手分析形成速度非对称状态的原因。 2 2 前滑和后滑的横向非对称性对出入口速度分布的影响 由于前后滑存在相关函数关系，下面以前滑为例，探索引起前滑横向非对称 状态的以诱因。板带轧制变形区域和几何关系见图2 - 2 。 l 图2 - 2 轧制变形区域和几何关系 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章轧件头部跑偏影响因素分析 本文研究的是精轧阶段轧件的前滑，轧件的出口厚度为h = 3 2 m m ，轧辊的 直径d = 7 5 0 r a m ，d 而1 ，并且精轧阶段由于板料较薄，中性角7 比较小，在 不考虑宽展的情况下可采用德雷斯登( d d r e s d e n ) 前滑公式【5 2 】进行计算，即， z ：_ r y 2 ( 2 4 ) 其中，考虑张力的中性角公式为， 7 = 厝锄降厝 协5 ， 胪、i 锄l 芋il 旺巧 当轧制开始阶段前张力0 = 0 时， 巩= 等一瓦1h 鲁一瓦1h l 肚2 氍a a c c 弧昂 当伊= 口板万丽时，将公式( 2 7 ) 代入公式( 2 6 ) ，则有， 峨= 居( 浮k 1h 陪去i 再将公式( 2 8 ) 代入公式( 2 5 ) ，则有， 7 = 层协巴一( 浮心、j | ；h 陪去i ( 2 6 ) 以上公式中口一咬入角，。5 r 、r 一轧辊压扁前、后的半径，m ； 鼠一中性面上轧件的厚度，m ； 一入口( 后) 张力，p a ； 屯一入口侧屈服极限，p a ； 一摩擦系数。 由于轧机工作辊的弹性模量一般远大于轧件的弹性模量，所以在理论推导的 过程中轧辊的弹性压扁可以忽略不计，即r 7 r ，将式( 2 9 ) 代入( 2 4 ) 有， z = t a n 2 b 一( j 罕k 摆h 陪去口协 、，_、 7 ，o o 9 - - - 2 2 2 ( ( ( 中南大学硕士学位论文第二章轧件头部跑偏影响因素分析 由式( 2 1 0 ) 可知影响轧件前滑值的主要因素有轧辊直径、后张力、压下率 和摩擦系数。 2 2 1 轧辊直径对轧件出口速度横向分布的影响 在其它轧制条件相同的情况下，随着轧辊直径增加，前滑值加大，主要原因 是由于在其他轧制条件不变的情况下，当轧辊直径增大时，咬入角减小，而摩擦 角不变，所以稳定g l n 时的剩余摩擦力会增大，这就导致t g l 件的塑性流动速度 增大，即前滑值增大。轧辊直径和前滑的关系如图2 3 所示。 图2 - 3 轧辊直径与前滑值的关系 因此，当轧辊直径横向分布不均匀时，会使得前滑值的非对称分量馘0 ， 轧辊直径较小侧，前滑值小，由式( 2 2 ) 可知该侧的出1 2 速度小。 2 2 2 后张力对轧件出口速度横向分布的影响 当轧件两侧所受的后张力具有横向非对称性时，后张力大的一侧，s l i 拘前 滑值小。根据费恩别尔中性角公式( 2 1 1 ) 厂= 舟曩) + 百r ，h - 万r b h 协 式中o t 一咬入角，。； 0 一前张力，m p a ； p 一轧制力，k n 。 可以看出在其它轧制条件不变的情况下，中性角会随着后张力大的增大而减 小，再结合式( 2 4 ) 可知轧件的前滑值随着中性角的减小而减小。后张力与前 1 2 中南大学硕士学位论文第二章轧件头部跑偏影响因素分析 滑的关系如图2 4 所示。 图2 - 4 后张力与前滑值的关系 因此，当轧件两侧所受的后张力具有横向非对称性时，会使得前滑值的非对 称分量馘0 ，后张力大的一侧，轧件的前滑值小，由式( 2 2 ) 可知该侧的轧 件出口速度小。 2 2 3 压下率对轧件出口速度横向分布的影响 轧件存在楔形、轧机存在原始辊缝差、轧件在宽度方向上存在温度差、轧件 的中心线有初始偏移、轧机操作侧和传动侧机架存在刚度差都会影响轧件的压下 率，在其它工艺参数不变的情况下，压下率增大，轧件的金属塑性流动速度增大， 使得轧件的前滑值增大。轧件压下率与前滑的关系如图2 5 所示。 图2 - 5 压下率与前滑值的关系 因此，当轧件的压下率具有横向非对称性时，会使得前滑值的非对称分量 馘0 ，压下率大